背景

回顾 “什么是操作系统”

  • 进程
  • 操作系统中的对象
    • everything is a file
    • file descriptors
  • API (系统调用)

进程 = 状态机

  • 内存
  • 寄存器
  • 系统调用

本次课内容与目标

理解一个真正的 “操作系统” 上的进程是什么样的

  • RISC-V 选讲
  • xv6 中的程序
  • xv6 的初始化
  • xv6 进程的实现

复习：状态机的虚拟化

状态机：$(M, R)$

进程 = 状态机

  • $M$ 是由虚拟地址空间控制的
  • $R$ (进程可见的寄存器)

操作系统

  • 直接管理物理内存和所有硬件设备
  • 在内存中创建很多 “对象”
  • 由中断/异常驱动
  • 将一个状态机 $(M, R)$ 加载到 CPU 执行

xv6-riscv 用户态进程

开始代码阅读 (RTFM!)

RV64 基础

  • Hart (hardware thread): 一个执行流
  • 寄存器
    • $x_0 = 0$, $x_1-x_{31}$, PC
  • 指令后缀
    • w: word (32-bit)
    • d: double-world (64-bit)
    • u: unsigned
    • b: byte
    • i: immediate
  • 指令格式: $rd$ ← $rs_1$, $rs_2$
  • load-store architecture (除了 load/store, 指令只操作寄存器)

Hello, RISC-V World

int main() {
  printf("Hello, World\n");
}

0000000000000560 <main>:
 560:   1141       addi    sp,sp,-16
 562:   00000517   auipc   a0,0x0
 566:   13e50513   addi    a0,a0,318
 56a:   e406       sd      ra,8(sp)
 56c:   fe5ff0ef   jal     ra,550 <puts@plt>
 570:   60a2       ld      ra,8(sp)
 572:   4501       li      a0,0
 574:   0141       addi    sp,sp,16
 576:   8082       ret

Hello, RISC-V World (cont'd)

int f(int a, int b) {
  return printf("%d + %d = %d\n", a, b, a + b);
}

000000000000064a <f>:
 64a:   00b506bb   addw    a3,a0,a1
 64e:   862e       mv      a2,a1
 650:   85aa       mv      a1,a0
 652:   00000517   auipc   a0,0x0
 656:   06650513   addi    a0,a0,102
 65a:   bddd       j       550 <printf@plt>

更多的操作系统上的应用程序 (嘿!)

xv6-riscv/user: 大量的用户程序

  • system calls
    • usys.S
      • 使用 ecall 完成 system call
  • 系统运行的第一个程序 (操作系统直接硬编码加载)
    • initcode.S (在 kernel/proc.c 硬编码了这段代码)
  • 其他程序
    • echo (例如，从 strcpy 看起)
    • ...

xv6-riscv 进程的实现

Firmware 完成的加载

QEMU: 我就是大部分的 Firmware

  • QEMU 将 ELF 加载到 0x80000000
    • xv6 将 entry.S 放在这个位置就行
  • Firmware 从 0x1000 开始执行
    • 只有几条指令……

TFSC; TFM

  • qemu -kernel loads the kernel at 0x80000000 and causes each CPU to jump there
  • kernel.ld causes the following code to be placed at 0x80000000

Entry Code

Privilege levels

  • User (0), Supervisor (1), Hypervisor (2), Machine (3)
  • CPU Reset 后处于 Machine Mode (最高权限)

Control and Status Register (CSR)

  • 操作系统可见，但用户程序不可见的隐藏状态
    • csrr a1, mhartid
    • 还有 csrw, csrrw (xchg)
    • csrs/csrc (set/clear bits)

进入操作系统代码！

熟悉的 OSLab 味道来了

  • 理论上 U + M 就够了，但首先是进入 S-Mode
    • 每个 Mode 分别响应中断
      • watchdog
      • 甚至 triple fault 也不会神秘重启了
      • 甚至可以调试 S-Mode

一系列系统初始化 (不用怕)

  • w_mepc(main)
  • mret - M-Mode return 带权限切换的跳转
    • 跳转到 S-Mode 的 main 开始执行

初始化操作系统中的对象

就像你们 OSLab0 里的弹球 int x, y;

  • 全部都在物理内存里
  • 用户进程对这些状态不可见
    • 只能通过系统调用和文件描述符访问

xv6 中的一些对象

  • cons (console)
  • 各种各样的锁对象 (嵌入在其他结构体里)
  • 进程对象 proc (进程表)
  • 漫长的初始化过程……

第一个进程的加载

userinit()

  • 开始调试它吧！
  • 硬编码的 user/initcode.S
    • 直接执行 exec("/init", ["/init", NULL]);

想调试它？

  • 打个断点吧！我们知道它的地址是什么？
    • 我发现了 gdb 的一个 bug (也可能是 feature)
    • 以及大家都在各种发现 riscv 工具链的 bug……
  • 然后进入了 syscall 函数执行

总结

总结

本次课内容与目标

  • 借助代码理解 “操作系统也是 C 程序”
    • 内存中的对象
    • 异常和上下文切换

Take-away messages

  • RTFM; RTFSC
  • 纸面上的理解都是片面的